1、ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 41 卷 第 12 期Vol41 No122022 年 12 月Dec 2022DOI:10 19927/j cnki syyt 2022 12 040无人机激光遥感实验平台设计与实现田义超a，b，张强a，b，陶进a，张亚丽a，杨永伟a，林俊良a(北部湾大学 a 资源与环境学院;b 海洋地理信息资源开发利用重点实验室，广西 钦州 535011)摘要:在分析遥感图像处理中无人机激光遥感实验课程教学存在理论公式学习枯燥、晦涩难懂，可视化内容难以实现等问题的基础上，利用 Matl
2、ab GUI 工具，结合遥感图像处理的教学大纲、教学内容以及考核方式，在北部湾大学已有仪器设备的基础上，设计了基于模块化思想的无人机激光遥感实验平台。该实验平台内容涵盖了地面点云和非地面点云分割、数字高程模型提取、数字表面模型提取、冠层高度模型提取、单木分割、高度变量、强度变量以及郁闭度等模块。实践教学结果表明，该平台界面美观，操作简单，非测绘专业学生无须了解激光雷达点云数据处理的复杂原理，均可快速熟悉界面相关功能，能够很好地完成无人机激光遥感所涉及的实验内容。关键词:无人机遥感;激光点云;实验平台;教学改革中图分类号:TP 72;G 642文献标志码:A文章编号:1006 7167(2022
3、)12 0207 07Design and Implementation of UAV Laser emoteSensing Experimental PlatformTIAN Yichaoa，b，ZHANG Qianga，b，TAO Jina，ZHANG Yalia，YANG Yongweia，LIN Junlianga(a Collage of esources and Environment;b Key Laboratory of Marine Geographic Informationesources Development and Utilization，Beibu Gulf Un
4、iversity，Qinzhou 535011，Guangxi，China)Abstract:Based on the analysis of the problems existing in the teaching of UAV laser remote sensing experiment course，this study uses Matlab GUI(Graphic User Interface)tool，combines with the syllabus，teaching content and assessmentmethods of remote sensing image
5、 processing，to design a unmanned aerial vehicles(UAV)laser remote sensingexperiment platform based on modular idea in the existing instruments and equipment of Beibu Gulf University Theexperimental platform covers ground point cloud and nonground point cloud segmentation，digital elevation model(DEM)
6、extraction，digital surface model(DEM)extraction，canopy height model(CHM)extraction，single treesegmentation，laser height variables，laser intensity variables and canopy coverage The practical teaching results showthat the platform has beautiful interface and simple operationNon surveying and mapping n
7、eed for students tounderstand the complex principle of light detection and ranging(LiDA)point cloud data processing They can quicklyget familiar with the relevant functions of the interface，and can well complete the experimental contents involved in UAVlaser remote sensingKey words:unmannedaerial ve
8、hicles(UAV)remotesensing;laserpointcloud;experimentalplatform;teaching reform收稿日期:2022-01-22基金项目:国家自然科学基金项目(42261024);教育部产学合作协同育人项目(202102136078，202102136077);广西创新驱动发展专项(AA18118038);广西基地和人才项目(2019AC20088);北部湾大学高层次人才引进项目(2019KYQD28);广西高等教育教学改革工程重点项目(2016JGZ166)作者简介:田义超(1986 )，男，陕西西安人，博士，教授，主要从事资源环境遥感
9、及海岸带生态环境监测的相关研究。Tel:18377799860;E-mail:tianyichao1314 yeah net第 41 卷0引言近半个多世纪以来，无人机在军用和民用领域均得到了空前的发展，无人机在测绘方面也得到了广泛应用1。无人机遥感测绘因续航时间长、成本低、机动灵活等特点大幅度提高了传统测绘作业的效率，使地理信息数据的获取更加快速、准确和完整2-3。在红树林野外样地调查时，调查方法多以现场实测或实际勘测为主，一般采用逐点测量方法，加上经常受到天气条件的限制，野外工作难度大，造成了三维空间分辨率和测量精度低、效率低、测量范围有限，无法完成红树林群落尺度三维模型的构建。而无人机激光
10、遥感在红树林野外调查等方面具有明显优势，可用于红树林树高估算、红树林面积提取以及红树林结构参数等方面的测量，甚至可以在野外进行遥感观测，突破了传统光学遥感在夜间难以进行红树林观测等方面的瓶颈。遥感图像处理课程是我校资源与环境学院地理信息科学专业开设的一门专业必修课。遥感图像处理课程作为应用实验课程，是以理论联系实践为主，注重运用和重视上机实践的一门课程，课程注重反映现代遥感图像处理方法的最新成果与应用，详细介绍与遥感图像处理常用的基本功能和部分增强功能，并针对遥感提取建模做了较为详细的实例说明，注重对地理信息科学专业学生的基本应用能力的提高，培养从事地理信息科学理论研究和实务的应用型人才。我校
11、作为广西北部湾沿海地区唯一公立本科院校，该学校濒临广西北部湾，沿海地区有非常多的红树林湿地资源，因此，遥感图像处理课程在学期结束后，都会有一次关于红树林湿地的低空遥感的开放性实验课。该实验课的开设可以将无人机低空遥感和测量学中的激光点云技术结合，使同学们了解最新的测绘技术和无人机遥感深度融合的理论和技巧，该实验课兼顾理论和实用性，可以很好地将低空遥感的基础理论和实际动手能力相结合，是提高学生创新创业能力非常重要的手段。但是，这门课程的开放性实验实施两年以来，课程教学部分存在着两点问题:课程教学中理论教学部分偏重，而实验教学中的实践部分较少，任课老师在开展开放性实践教学时，主要是带领学生到海边的
12、红树林样地进行无人机数据航拍，航拍完成之后任课老师在实验室对学生开展了最基本的无人机激光数据的解析和概念的讲解工作。但是，由于地理信息科学专业学生对于测绘专业的知识了解较少，激光点云理论讲解中涉及大量复杂的测量学公式，学生在听讲的过程中感到枯燥，课程晦涩难懂，无法提升学生的积极性，导致部分学生对无人机激光点云的教学部分缺乏信心，以至于部分学生抱着“学不懂，干脆不学”的心理。激光点云教学的可视化内容难以实现。从海边获取的无人机红树林激光点云数据，任课教师主要借助于Matlab 软件向同学们讲述激光点云数据的读取、存储以及操作的语法4，大部分的教学方法是以各种算法为前提，通过在 Matlab 中编
13、写代码来实现激光点云数据的操作。由于地理信息科学专业学生属于非测绘专业的学生，在教学过程中学生们对于激光点云数据处理的各种程序和代码的学习感到非常吃力，导致课程教学效果较差。因此，需要借助于可视化方法使无人机激光点云数据的教学呈现出可视化，这样方可提高学生的学习积极性5-6。Matlab 软件中的图形用户界面(Graphical userinterface，GUI)所具有的数据分析和可视化功能已被广泛应用于科学研究、实验和实践教学过程中7-9，用户借助于该软件所提供的各种控件和函数可以很好地实现所需要的功能。该研究基于 Matlab 软件的 GUI开发了无人机激光遥感实验平台，该平台界面友好美
14、观，操作简单，能够实现对野外测量的无人机红树林激光点云数据的快速读取、可视化以及模型建模等功能，该实验平台可以将复杂的测量学教学过程简单化，增加学生对于无人机红树林遥感开放性实验的兴趣，提升我校无人机激光遥感的教学效果，为北部湾地区实践创新以及应用型专业人才的培养奠定基础。1实验平台设计思路基于 Matlab 软件的 GUI 开发了无人机激光遥感实验平台，该平台主要由地面点云和非地面点云分割、数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)提取、数字表面模型(Digital Surface Model，DSM)提取、冠层高度模型(Canopy Height Model，C
15、HM)提取、单木分割、高度变量、强度变量以及郁闭度等模块组成，该实验平台的主要功能模块如图 1 所示。图 1无人机激光遥感实验平台功能模块本开放性实验课程作为低空无人机激光遥感理论和实践相结合的典型案例，需要结合实践教学来提升802第 12 期田义超，等:无人机激光遥感实验平台设计与实现学生的学习能力。其中实践教学部分主要包括数据采集和数据的处理两个部分，数据采集部分，由于我校资源与环境学院的学生在无人机激光点云数据的航拍，航飞线路的设置以及前期数据处理方面具有一定的特长，学生们多次在广西壮族自治区举办的无人机省级大赛中获得了多项奖项，因此，该研究将重点分析无人机激光遥感实验平台涉及的相关功能
16、的基础上使同学们熟练掌握激光点云的数据操作部分。无人机激光遥感实验平台中的模块 1 属于激光点云的基础操作模块，该模块的主要功能是将红树林激光点云的地面部分和地上部分分割出来，其中分割出的地面点云部分可以生成数字高程模型，该模型即是模块 2 的数字高程模型(DEM)提取。而非地面点云可以生成模块 3的数字表面模型(DSM)，将其减去模块 2 所生成的DEM 数字高程模型，即可得到模块 4 的冠层高度模型(CHM)。非地面点云的另外一些重要的功能是可以生成模块 5 8 的相关内容，这些功能均属于红树林林木结构提取时的重要参数，可以通过 Matlab 编程语言的具体算法实现这些功能。8 个模块之间互不影响，每个模块具有单独的和可执行的源程序和执行代码，并且都具有可扩展性，每个模块均包含 GUI 组件的 fig 文件和保存源代码的 m 文件10，均可实现单独的管理和存储。2实验平台设计内容及其案例实现Matlab 提供了一套可视化的创建图形窗口的工具，使用图形用户界面开发环境可方便地创建 GUI 应用程序，它可以根据用户设计的 GUI 布局，自动生成M 文件框架，用户使用这一框架编制可以定制
